第3章直流电机原理

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1、* * 掌握直流发电机和直流电动机的工作原理。* 了解直流电机的结构、电枢绕组。* 熟练掌握并能正确使用直流电机的额定值。* 熟练掌握直流电机的励磁方式。* 搞清直流电机空载磁场，正确理解磁化曲 线。* 正确理解电枢反应概念及其影响。* 正确理解电势及转矩公式，并能正确使用。第三章第三章 直流电机原理直流电机原理DC Motor fundamentalsDC Motor fundamentals3.1直流电机的用途及其基本工直流电机的用途及其基本工作原理作原理3.1.1直流电机的用途直流直流电机机电动机机(Motor)：电能能机械能机械能发电机机(Generator):机械能机械能电能能DCM

2、achine直流电机的用途直流电机的用途 直直流流电电机机是是一一种种通通过过磁磁场场耦耦合合作作用用实实现现机机械械能能与直流电能相互转换的旋转式机械装置。与直流电能相互转换的旋转式机械装置。 把直流电能转变为机械能的电机是直流电动机；把直流电能转变为机械能的电机是直流电动机； 反之，把机械能转变为直流电能的电机是直流发电机反之，把机械能转变为直流电能的电机是直流发电机。直流电机直流电机 直流电动机直流电动机直流发电机直流发电机 输出机械能输出机械能 输出直流电能输出直流电能 输入机械能输入机械能 输入直流电能输入直流电能直流电机具有可逆性直流电机具有可逆性: : 一一台台直直流流电电机机既

3、既可可以以工工作作在在电电动动机机状状态态，也也可可以以工工作作在在发电机状态，取决于电机的运行条件。发电机状态，取决于电机的运行条件。直流电动机与交流电动机相比，其主要特点是直流电动机与交流电动机相比，其主要特点是：(1)(1)调速范围广，易于平滑调速；调速范围广，易于平滑调速；(2)(2)起动、制动和过载转矩大；起动、制动和过载转矩大；(3)(3)易于控制，控制装置可靠性较高。易于控制，控制装置可靠性较高。直流电动机常应用于调速要求较高的工业应用场合：直流电动机常应用于调速要求较高的工业应用场合：(1)(1)大型可逆式轧钢机、矿井卷扬机、大型车床、大型可逆式轧钢机、矿井卷扬机、大型车床、

4、大型起重机；大型起重机；(2)(2)电动车辆牵引、电力机车牵引；电动车辆牵引、电力机车牵引；(3)(3)挖掘机械、纺织机械。挖掘机械、纺织机械。直直流流发发电电机机供供电电质质量量较较好好，常常作作为为大大型型直直流流电电动动机机以以及及大大型型交流发电机的励磁直流电源。交流发电机的励磁直流电源。直流电机与交流电机相比的主要缺点是直流电机与交流电机相比的主要缺点是: :(1)(1)电机结构较复杂，成本较高，维护困难，可靠性稍差；电机结构较复杂，成本较高，维护困难，可靠性稍差；(2)(2)主主要要是是换换向向问问题题，直直流流电电机机在在运运行行时时由由于于电电刷刷与与换换向向器器之之间间易易产

5、产生生火火花花，它它限限制制了了直直流流电电机机的的极极限限容容量量和和转转速速，又又增增加了维护的工作量；使得直流电机的发展和应用受到限制。加了维护的工作量；使得直流电机的发展和应用受到限制。 近近年年出出，由由于于电电力力电电子子技技术术的的迅迅速速发发展展，与与电电力力电电子子装装置置结结合合而而具具有有直直流流电电机机性性能能的的电电机机不不断断涌涌现现，直直流流电电机机有有被被取取代代的的趋趋势势。尽尽管管如如此此，直直流流电电机机仍仍有有相相当当重重要要的的理理论论意意义义和实用价值。和实用价值。3.1.2直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理（一）直流发电机的基本工作原理（

6、一）直流发电机的基本工作原理 产生电能要两个必要条件：产生电能要两个必要条件：有一个磁场存在；导体在磁场中有运动基本原理：基本原理：电磁感应定律从以上分析可以看出： 线圈中的电动势及电流的方向是交变的，只是经过电刷和换向片的整流作用，才使外电路得到方向不变的直流电。直流发电机实质上是带有换向器的交流发电机。磁极磁极电刷电刷换向器换向器电枢电枢电枢铁心电枢铁心电枢线圈电枢线圈( ( (二二二二) ) ) ) 直流电动机的基本工作原理直流电动机的基本工作原理直流电动机的基本工作原理直流电动机的基本工作原理基本原理：基本原理：电磁力定律 产生力矩要两个必要条件：产生力矩要两个必要条件：有一个磁场存在

7、；导体中有电流从以上分析可见，在直流电动机中，线圈中的电流是交变的，但产生的电磁转矩方向是恒定的。3.2直流电机的主要结构与型号直流电机的主要结构与型号3.2.1主要结构主要结构定子部分定子部分(Stator)、转子部分、转子部分(rotator)(电枢，电枢，Armature)、气隙（气隙（Air-gap）定子定子 定子定子转子转子端盖端盖一、一、定子部分定子部分:主磁极；主磁极；换向磁极；换向磁极；机座机座；电刷；电刷mainMagneticpole;commutationMagneticpole;machinebearing;Brush主磁极主磁极换向磁极换向磁极http:/202.19

8、4.199.225/new/dianji/dianjijiegou.htm爆炸图装配图1、主磁极、主磁极 主磁极的作用主磁极的作用: : 使用材料及结构形状：使用材料及结构形状：2、换向极：、换向极：3、机座：、机座：4、电刷装置：、电刷装置：二二 转子部分：转子又称为电枢，包括电枢转子部分：转子又称为电枢，包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、轴和轴承铁心、电枢绕组、换向器、风扇、轴和轴承等。等。1 1 电枢铁心电枢铁心：2 2 电枢绕组：电枢绕组：换向器换向器电刷电刷刷架刷架电刷电刷电电枢枢铁铁心心电枢铁心硅钢片电枢铁心硅钢片(0.5mm) 电枢铁心电枢铁心 转子下线转子下线 换向器3.2

9、.2 3.2.2 直流电机的额定值（铭牌数据）直流电机的额定值（铭牌数据）1 1、额定功率、额定功率PNPN 发电机是出线端输出的电功率。发电机是出线端输出的电功率。 P PN N= U= UN N*I*IN N 电动机是轴上输出的机械功率电动机是轴上输出的机械功率P PN N= U= UN N*I*IN N N N2 2、额定电压、额定电压U UN N （V V）3 3、额定电流、额定电流I IN N （A A）4 4、额定转速、额定转速n nN N （rpmrpm）5 5 、励磁方式和额定励磁电流励磁方式和额定励磁电流 (A(A）额定运行额定运行状态状态欠载欠载运行运行过载过载运行运行例:

10、一台直流发电机,其额定功率PN=145kw,额定电压UN=230V, 额定转速nN=1450r/min,额定效率N=90%,求该发电机的输入功率p1及额定电流IN各为多少?例:一台直流电动机,其额定功率PN=160KW,额定电压UN=220V,额定效率N=90%,额定转速nN=1500r/min,求该电动机的输入功率,额定电流及额定输出转矩各是多少?解:额定电流额定输入功率 电电机机型型号号表表明明电电机机的的主主要要特特点点，第第一一部部分分为为产产品品代代号号；第二部分为规格代号；第二部分为规格代号； Z Z2 23131一般用途的防护式一般用途的防护式中小型直流电机中小型直流电机表示第二

11、次设计表示第二次设计 表示机座号表示机座号表示铁芯长度顺序号表示铁芯长度顺序号 3.2.3 3.2.3 直流电机的主要系列直流电机的主要系列3.3.43.3.4国产直流电机的主要系列产品国产直流电机的主要系列产品国产的直流电机种类很多，常见的产品系列国产的直流电机种类很多，常见的产品系列: :Z Z2 2系列是一般用途的中、小型直流电机，包括发电机和电系列是一般用途的中、小型直流电机，包括发电机和电动机。动机。Z Z和和ZFZF系系列列是是一一般般用用途途的的大大、中中型型直直流流电电机机系系列列。Z Z是是直直流流电动机系列；电动机系列；ZFZF是直流发电机系列。是直流发电机系列。ZTZT系

12、系列列是是用用于于恒恒功功率率且且调调速速范范围围比比较较大大的的拖拖动动系系统统里里的的广广调速直流电动机。调速直流电动机。ZJZJ系列是冶金辅助拖动机械用的冶金起重直流电动机。系列是冶金辅助拖动机械用的冶金起重直流电动机。ZJZJ系列是冶金辅助拖动机械用的冶金起重直流电动机。系列是冶金辅助拖动机械用的冶金起重直流电动机。ZQZQ系系列列是是电电力力机机车车、工工矿矿电电机机车车和和蓄蓄电电池池供供电电电电车车用用的的直直流牵引电动机。流牵引电动机。ZHZH系列是船舶上各种辅助机械用的船用直流电动机。系列是船舶上各种辅助机械用的船用直流电动机。ZAZA系系列列是是用用于于矿矿井井和和有有易易

13、爆爆气气体体场场所所的的防防爆爆安安全全型型直直流流电电动机。动机。ZUZU系列是用于龙门刨床的直流电动机。系列是用于龙门刨床的直流电动机。ZKJZKJ系列是冶金、矿山挖掘机用的直流电动机。系列是冶金、矿山挖掘机用的直流电动机。 3.3 直流电机的磁场直流电机的磁场 (magneticfield)在介绍直流电机的空载磁场之前，我们先来了解一下直流电机是如何建立磁场的。3.3.13.3.1电机的励磁电机的励磁方式方式：即：我们要看一下直流电机是如何给他的 励磁绕组通电的。根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的直流电机又可细分为：直流电机又可细分为：他

14、励电动机：他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。励磁线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机：并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。串励电动机：串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。复励电动机：复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。同一电源上。M他励他励UfIfIaUM并励并励UIfM串励串励UM复励复励UField-circuitconnectionsofDCMachinesSeparate-Excitation(Separately

15、-excited)Self-excitedCompoundexcitationSeriesfieldCumulativeCompoundexcitationShuntfieldDifferentialCompoundexcitation3.3.2直流电机的空载气隙磁密分布直流电机的空载气隙磁密分布Main-fieldflux-densitydistributionwithno-load一一 空载时直流电机的磁路：空载时直流电机的磁路：(magneticrouteofDCmachinewithnoload)空载(noloadcondition)直流电机空载时的磁路主磁通：漏磁通：经过主磁极、气隙

16、、电枢铁心及机座构成磁回路。它同时与励磁绕组及电枢绕组交链，能在电枢绕组中感应电动势和产生电磁转矩，称为主磁通仅交链励磁绕组本身，不进入电枢铁心，不和电枢绕组相交链，不能在电枢绕组中感应电动势及产生电磁转矩，称为漏磁通特点：1）由同一个磁动势所产生2）所走的路径不同，这就导致了它们对应磁路上所产生的磁场的分布规律不同，在这里，气隙磁场的大小和分布直接关系到电机的运行性能，所以，这一点将是我们主要研究的方向。二、空载气隙磁密分布波形Theair-gapFlux-densitydistributioncurvewithno-load 分别是气隙.电枢齿.电枢磁轭.主磁极和定子磁轭等段磁路的磁阻(b

17、)Theair-gapFlux-densitydistributioncurvewithno-load极靴下的气隙远远小于极靴之外的气极靴下的气隙远远小于极靴之外的气隙，隙， 显然，极靴下沿电枢圆周各点的显然，极靴下沿电枢圆周各点的主磁场将明显大于极靴范围以外，在主磁场将明显大于极靴范围以外，在两极之间的几何中心线处，磁场等于两极之间的几何中心线处，磁场等于零。对于这一点，我们可以通过数学零。对于这一点，我们可以通过数学形式来看一下：形式来看一下： 设电枢圆周为设电枢圆周为 轴而磁极轴线处为轴而磁极轴线处为纵轴，又设电枢长度为纵轴，又设电枢长度为 ，则离开坐，则离开坐标原点为标原点为 的的 范

18、围内的气隙主磁范围内的气隙主磁通为：通为：则空载时每极主磁通为则空载时每极主磁通为：空载每极主磁通与空载平均气隙磁密空载每极主磁通与空载平均气隙磁密成正比，而对于尺寸已定的电机，空成正比，而对于尺寸已定的电机，空载气隙磁密的大小由励磁磁势载气隙磁密的大小由励磁磁势F Ff f所决所决定。当励磁绕组匝数一定时，定。当励磁绕组匝数一定时，F Ff f和和I If f成正比。成正比。 换言之，空载时的每极磁换言之，空载时的每极磁通是随磁动势或励磁电流的变化而变通是随磁动势或励磁电流的变化而变化。化。Air-gaplineMagnetizationcurveofadcmachine3.3.33.3.3

19、电机的磁化曲线电机的磁化曲线 为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通 ，空载时，气隙磁通 与空载磁动势 或空载励磁电流 的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如右图所示。曲线特点电机的磁化曲线具有饱和特点，当主磁通0较小时，铁磁材料的磁位降较小，励磁磁通主要消耗在气隙中；当主磁通0较大时，铁磁材料出现饱和，磁位降迅速增大，使0=（If）曲线离开气隙线弯曲呈非线性。分析磁化曲线表征的磁路的饱和程度对电机运行性能有很大的影响。设计电机时，要考虑节省材料，磁通密度B值尽量取得大些，但又不能使磁路太饱和，所以，为了更有效经济地利用材料，一般额定磁通取在直流电机磁化曲线开始弯曲

20、的地方。3.3.4直流电机负载磁场及电枢反应直流电机负载磁场及电枢反应(一一)电枢磁势和磁场电枢磁势和磁场ArmatureMMF(MagneticMotiveForce)andMagneticfield1、负载时的气隙磁场：Air-gapmagneticfieldMainfieldproducedOnlybyexcitationcurrentArmaturefieldproducedonlybyarmaturecurrent(1)电刷在几何中性线上的电枢磁动势和磁场电刷在几何中性线上的电枢磁动势和磁场：(ArmatureMMFandflux-densitydistribution)如图可见：如

21、图可见：(2)电刷不在几何中性线上的电枢磁动势：电刷不在几何中性线上的电枢磁动势：看图：引出了直轴电枢磁动势，看图：引出了直轴电枢磁动势，直轴电枢磁动势：电枢磁动势的轴线与主磁极轴线直轴电枢磁动势：电枢磁动势的轴线与主磁极轴线重合，称为直轴电枢磁动势。以电动机为例重合，称为直轴电枢磁动势。以电动机为例直流电机的电枢磁势是幅直流电机的电枢磁势是幅值固定的空间分布波，只值固定的空间分布波，只是空间的函数是空间的函数交流电机的电枢磁势是幅值随时间按正弦规律脉动的空间分布波如沿电枢分布的线圈无限如沿电枢分布的线圈无限增多，则级形波将趋近于增多，则级形波将趋近于三角形波三角形波 如果认为直流电机电枢上有

22、无穷多整距元件分布，则电枢磁动势在气隙圆周方向空间分布呈三角波，如图中 所示。 由于主磁极下气隙长度基本不变，而两个主磁极之间，气隙长度增加得很快，致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的马鞍型，如图中 所示。负载时的气隙磁势和磁场交轴直轴电枢磁势位置取决于电刷位置，电刷位于交轴电刷位于交轴，电枢磁势轴线也在交轴，为交轴电枢反应。极尖极尖处磁密最大处磁密最大且由于其饱和程度的提高，且由于其饱和程度的提高，饱和影响使高峰略有下降，饱和影响使高峰略有下降，即极面下的总磁通略减小，即极面下的总磁通略减小，呈先去磁作用呈先去磁作用负载时的气隙磁势和磁场交轴直轴交轴电枢反应交轴电枢反应对气隙磁场的影响：

23、1.使气隙磁场发生畸变2.使物理中心线偏移几何中心线一个角度（对发电机：顺着旋转方向）3.磁路未饱和时，每极磁通不变4.如考虑磁路饱和的影响，则交轴电枢反应有去磁作用主磁场的磁通密度分布曲线电枢磁场磁通密度分布曲线两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线(二二)交轴交轴(quadratureaxis)、直轴、直轴(directionaxis)电枢反应：电枢反应：1）交轴电枢反应：交轴电枢磁动势对主极磁场的交轴电枢磁动势对主极磁场的影响。影响。Flux-densitydistributionmanfieldaloneArmature-mmfdistributionResultant

24、Flux-densitydistributionFlux-densitydistributionarmaturealone在这里，我们为了分析问题的简单，在这里，我们为了分析问题的简单，假定假定（1）磁场是不饱和的，（2）发电机电枢转向是逆时针，电动机为顺时针。这样，我们就可以对上图进行叠加，。这样，我们就可以对上图进行叠加，可知可知A:交轴电枢磁场在半个极内对主极磁场起去交轴电枢磁场在半个极内对主极磁场起去磁作用，在另半个极内则起增磁作用，引磁作用，在另半个极内则起增磁作用，引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁通密度等起气隙磁场畸变，使电枢表面磁通密度等于零的位置偏移几何中性线，新的等于零于零的位

25、置偏移几何中性线，新的等于零的我们称之为物理中性线。的我们称之为物理中性线。B:不计饱和，交轴电枢反应即无增磁，亦无不计饱和，交轴电枢反应即无增磁，亦无去磁作用。考虑饱和时，起到去磁作用去磁作用。考虑饱和时，起到去磁作用。2）直轴电枢反应：当电刷不在几何中性线当电刷不在几何中性线上，出现了直轴电枢反应，从图上可以看上，出现了直轴电枢反应，从图上可以看出：出：A:若为发电机，电刷顺着旋转的方向移动一若为发电机，电刷顺着旋转的方向移动一个夹角，对主极磁场而言，直轴起去磁反个夹角，对主极磁场而言，直轴起去磁反应，若电刷逆着旋转方向移动一个夹角，应，若电刷逆着旋转方向移动一个夹角，则直轴电枢反应将是增

26、磁的，则直轴电枢反应将是增磁的，B:若为电动机，刚好相反，这里不再具体分若为电动机，刚好相反，这里不再具体分析。析。交轴电枢反应：交轴电枢反应：1 1）将主磁场扭曲，磁场为零的位）将主磁场扭曲，磁场为零的位 置置发生偏转至物理中性线。发生偏转至物理中性线。2 2）主磁通量减少，称为电枢反应）主磁通量减少，称为电枢反应 的附加去磁的附加去磁. .3)3)呈去磁作用呈去磁作用（直动）交轴电枢反应（负载后均存在）直轴电枢反应（仅在电刷偏移时才存在）使空载气隙磁密波形畸变具有一定的饱和去磁作用电刷若顺转向偏移一小角度时电刷若逆转向偏移一小角度时增磁（直发）增磁增磁增磁减磁减磁减磁减磁（直动）（直发）前

27、极端后极端电枢绕组电枢绕组是直流电机的核心部分，在电机的机电能量转换过程中起着重要的作用。 因此，电枢绕组须满足以下因此，电枢绕组须满足以下要求：要求：在能通过规定的电流和产生足够的电动势前提下，尽可能节省有色金属和绝缘材料，并且要结构简单、运行可靠等。 3.4 3.4 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组Armature winding of DC machineArmature winding of DC machine一、名词术语介绍一、名词术语介绍 (1）极轴线：磁极的中心线；）极轴线：磁极的中心线；（2）几何中性线：磁极之间的平分线，）几何中性线：磁极之间的平分线，（3） ：极对数；

28、：极对数；（4） 极距：在电枢铁心表面上，一个极距：在电枢铁心表面上，一个极所占的距离。极所占的距离。 可用槽数表示，可用槽数表示， （槽），式（槽），式中中Z为电枢总槽数；为电枢总槽数； （5）元件（线圈）：是绕组的一个基本）元件（线圈）：是绕组的一个基本单元，可为单匝，也可为多匝，单元，可为单匝，也可为多匝， 端接部分端接部分有效边有效边出线端出线端换向片换向片多匝线圈多匝线圈元件（线圈）：两端分别连接两个换向片的一匝或多匝线圈元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。(6) (6) 元元件件节节距距（第第一一节节距距） ：元元件件两两条条边边的的

29、距离，以槽数计，总是整数。距离，以槽数计，总是整数。 整数整数其中：其中： ：凑整分数。：凑整分数。 ，绕组称为整距绕组，绕组称为整距绕组 取负值，取负值， 称为短距绕组称为短距绕组 取取正正号号时时 ， 称称长长距距绕绕组组。短短距距绕绕组组端接短、省端接短、省铜铜，且有利于，且有利于换换向，故常用；向，故常用；合成节距 ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。第一节距 ：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。第二节距 ：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。单叠绕组单波绕组换向节距 ：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。1.1.电枢绕组类型

30、电枢绕组类型 按连接方式分为按连接方式分为 单叠绕组单叠绕组 复叠绕组复叠绕组 单波绕组单波绕组复波绕组复波绕组蛙形绕组蛙形绕组叠绕组和波绕组的混合绕组叠绕组和波绕组的混合绕组叠绕组叠绕组 波绕组波绕组叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。叠绕组示意图波绕组示意图大的分类为环形和鼓形；环形绕组只曾在原始电机用过，由于容易理解故讲原理时也用此类绕组；现代直流电机均用鼓形绕组，它又分为叠绕组、波绕组和蛙形绕组。鼓形绕组比环形绕组制造容易，又节省导线，运行较可靠，经

31、济性好，故现在均用鼓形绕组。环形绕组示意图鼓形绕组示意图波绕组示意图叠绕组示意图单波绕组，单叠绕组，复波绕组，复叠绕组，复合绕组各种形式的直流电机绕组的区别，主要表现在合成节矩上，其公式为：叠绕组：y=y1-y2若为双叠右行时，则合成节距y+2。因单叠左行绕组端接部分交叉，故很少采用。波绕组：y=y1+y2按单波绕组的接线规律得知式中：K-电机的换向片数；P-极对数；单波左行：y取负号单波右行：y取正号因为右行单波绕组端接部分交叉，故很少采用。单叠右行：y=+1单叠左行：y=-1例：已知某直流电机的极对数已知某直流电机的极对数P=2P=2，槽数，槽数Z Z、元件数元件数S S及换向片数及换向片

32、数K K为为Z=S=K=16Z=S=K=16。试绕成。试绕成单叠绕组单叠绕组二、单叠绕组 1 1、计算节距、计算节距 第一节距第一节距: :换向器节距和合成节距换向器节距和合成节距: :第二节距第二节距: :2 、绘制绕组展开图、绘制绕组展开图1）画画1616根等长、等距的平行实线代表根等长、等距的平行实线代表1616个槽的上层，在实线旁再画个槽的上层，在实线旁再画1616根虚线代表根虚线代表1616个槽的下层。一根实线和一根虚线代表个槽的下层。一根实线和一根虚线代表一个槽，编好槽号一个槽，编好槽号2 2）按节距）按节距 连接一个元件连接一个元件, ,第一个元第一个元件的上下层边（件的上下层边

33、（1 15 5槽），令上层边所在槽），令上层边所在的槽号为元件号；的槽号为元件号； 3）接上换向片）接上换向片 4）画出第二个元件）画出第二个元件 5）放磁极：）放磁极：6）放电刷）放电刷3单叠绕组元件联接次序图单叠绕组元件联接次序图 4.单叠绕组电路图单叠绕组电路图:单叠绕组的电路图和和并联支路数单叠绕组的电路图和和并联支路数(a=p)http:/ 一个支路,即支路对数等于极对数.a=p(3)当元件的几何形状对称,电刷放在换向器表面上的位置对准主磁极中心线时,正负电刷间感应电动势为最大,被电刷所短路的元件里感应电动势最小(4)电刷杆数等于极数(5)正负电刷之间引出的电动势即为每一支路的电动势

34、,电枢电压等于支路电压(6)电枢电流Ia=2aia三、单波绕组1.节距(1) 第一节距(2)合成节距和换向器节距(3)第二节距单波绕组展开图：我们以一个具体的例子来看这个问题：已知某直流电机极对数p2，槽数、元件数及换向片数为z=s=k15。要求绕成单波绕组。解：1）计算相关节距： 2）连图： 3 3）绕组元件连接次序：）绕组元件连接次序：从绕组展开图可以后出，全部15个元件是按下列次序串联而构成一个闭合回路的，即： 1815714613512411310291 这样，我们就可以作出他的次序图：4)4)、绕组并联支路图（瞬间）、绕组并联支路图（瞬间）根据单波绕组根据单波绕组1515个元件的串联

35、次序及个元件的串联次序及 电刷位置，可以画出本例单波绕组的电电刷位置，可以画出本例单波绕组的电路图如图所示。路图如图所示。； 可以看出，元件15、7、14、6、13串联在一起，即处在S极下的所有元件串联在一起构成一条支路，各元件的电动势方向是相同的。元件4、11、3、10、2串联在一起，构成另一条支路，它们的电动势方向也是相同的。由此可见，单波绕组是把所有N极下的全部元件串联起来组成了一条支路，把所有S极下的全部元件串联起来组成了另一支路。由于磁极只有N、S之分，所以单波绕组的支路图对数与极对数多少无关，永远为1，即：a1 .单波绕组的特点单波绕组的特点: :（1)位于相同极性下的各元件串联起

36、来组 成了一个支路, a=1 即支路对数与极对数无关. (2)当元件的几何形状对称,电刷放在换向器表面上的位置对准 主磁极中心线时,正负电刷间感应电动势为最大,被电刷所短路的元件里感应电动势最小(3)电刷杆数等于极数从上面的分析可知，相同元件数时，叠绕组并联支路数多，每条支路里串联元件数少，适用于较低电压、较大电流的电机。对于单波绕组，支路对数永远等于1，每条支路里所包含的元件数较多，所以这种绕组适应于较高电压、较小电流的电机。至于大容量的电机，可以采用混合绕组。3-5直流电机的感应电势与电磁直流电机的感应电势与电磁转矩转矩一、电枢电动势：一、电枢电动势： 电枢电动势是指直流电机正负电刷之间的

37、感应电动势，也就是电枢绕组里每条并联支路的感应电动势。所以，我们可以先求一根导体的在一个极距范围内所产生的平均电动势，再求一条支路的。 一个磁极极距范围内，平均磁密用 表示，极距为 ，电枢的轴向有效长度为 ，每极磁通为，则 又因为：又因为：所以：所以：一根导体的平均电动势为：一根导体的平均电动势为：因为一条支路里的串联总导体数因为一条支路里的串联总导体数 （N N 为电枢总导体数，为电枢总导体数， ），），于是，电枢电动势为：于是，电枢电动势为：式中，式中， 是一个常数，称为电动势常数。是一个常数，称为电动势常数。叫电势常数叫电势常数 : :每极磁通量每极磁通量n:n:电机转速电机转速N:N:

38、绕组总导体数绕组总导体数P:P:极对数极对数a:a:绕组并联支路对数绕组并联支路对数1 1、电枢绕组电势与磁、电枢绕组电势与磁 通、转速成正比。通、转速成正比。2 2、EaEa表达式虽然在整表达式虽然在整距绕组情况下推导出，距绕组情况下推导出，但对短距、长距也适用。但对短距、长距也适用。3 3、若电刷不在几何中、若电刷不在几何中性线时，性线时， EaEa将减小将减小。结论：结论：结论：结论： 二.电磁转矩 先求一根导体所受的平均电磁力为: 式中: 是导体里流过的电流; 是电枢电流; a是支路对数 一根导体受的转矩为: : 式中 是电枢的直径.总电磁转矩用T表示,为把 代入上式,得 为转矩常数C

39、T=9.55Ce三、直流电机的电磁功率三、直流电机的电磁功率一、直流发电机稳定运行的基本方程式一、直流发电机稳定运行的基本方程式他励直流发电机发电机惯例发电机惯例：1.电动势平衡方程式3-6直流发电机直流发电机2. 转矩平衡方程式空载损耗转矩空载损耗转矩由机械损耗、铁耗引起由机械损耗、铁耗引起拖动转矩拖动转矩电磁转矩电磁转矩方向同方向同n n方向方向-n-n方向方向-n-n3. 功率平衡方程式 发电机的输入功率发电机的输入功率P1P1，除小部分损耗外，大部，除小部分损耗外，大部分转换为电磁功率，由机械功率分转换为电磁功率，由机械功率电功率电功率 电磁功率，除去电枢回路的铜损耗外，其余部电磁功率

40、，除去电枢回路的铜损耗外，其余部分分输出电功率输出电功率发电机的输出发电机的输出功率功率电枢回路的铜电枢回路的铜损耗损耗他他励励并励直流发电机的基本方程式并励直流发电机的基本方程式(一一)电动势平衡方程式电动势平衡方程式(二二)转矩平衡方程式转矩平衡方程式： 直流发电机在稳态运行时，电机的转速为n,作用在电枢上的转矩共有三个：一个是原动机输入给发电机转轴上的驱动转矩 T1 ；一个是电磁转矩T；还有一个是电机的机械摩擦、风阻以及铁损耗引起的转矩，叫空载转矩，用T0表示,空载转矩是一个制动性转矩,永远与转 速n的方向相反 由上图可得：(三三)功率平衡方程式：功率平衡方程式：从原动机输入的机械功率可

41、用下式表示从原动机输入的机械功率可用下式表示：式中电磁功率式中电磁功率PM为转换成电枢回路的电功为转换成电枢回路的电功率：率：其中，其中，空载损耗空载损耗为：为：由以上各式可得：由以上各式可得：如此，则发电机的效率为：如此，则发电机的效率为：额额定定负负载载时时，直直流流发发电电机机的的效效率率与与电电机机的的容容量量有有关关。10kW以以下下的的小小电电机机，效效率率约约为为75%88.5%；10100kW的的，效效率率约约为为85%9;1001000kW的的电电机机，效效率约为率约为88%93%。二、他励直流电发电机的运行特性4个主要物理量：电枢端电压U励磁电流If负载电流I=Ia转速n一

42、般保持为额定值不变 运行特性即：3个量，其中1个不变，其余2个物理量之间的关系。所谓运行特性，就是要找出电机在工作的的过程中所展现的某些特性，并将这些特性用曲线的形式进行表示，在直流电机中，（1）负载特性负载特性指当n=常数且I=常数时，U=f(If)的关系，其中当I=0时的特性U0=f(If)称为发电机的空载特性。（2）外特性外特性指指当当n=常常数数且且If=常常数数或或Rf=常常数数时时，U=f(I)的的关系关系（3）调节特性）调节特性指当指当n=常数且常数且U=常数时，常数时，If=f(I)的关系。的关系。（4）效率曲线）效率曲线下面进行详细的几种主要特性的介绍下面进行详细的几种主要特

43、性的介绍(一一)他励直流发电机他励直流发电机(1)空载特性：空载特性：实验条件：如图所示，实验条件：如图所示，他励直流发电机的空载与负载实验线路他励直流发电机的空载与负载实验线路打打开开闸闸刀刀开开关关Q，调调节节电电阻阻从从而而改改变变励励磁磁电流电流，由零开始单调增长直至由零开始单调增长直至，然后让，然后让单调减小至单调减小至零零。再反向单调增加直至再反向单调增加直至为负的为负的后又使后又使单调减小至零单调减小至零。在调节过程中，在调节过程中，读读取取空空载载端端电电压压与与励励磁磁电电流流数数组组数数据据，即空载特性，如图即空载特性，如图所示。所示。直流发电机的空载特性分析特性：1）由于

44、铁磁材料的磁滞现象，使测得的曲线）由于铁磁材料的磁滞现象，使测得的曲线是一闭合的回线。是一闭合的回线。2）由于电机有剩磁，使得）由于电机有剩磁，使得时仍有时仍有一个很低的电压，称之为剩磁电压，其值约一个很低的电压，称之为剩磁电压，其值约为的为的%。实际使用时，一般取回线的。实际使用时，一般取回线的平均值（如图中的虚线所示）作为空载特性。平均值（如图中的虚线所示）作为空载特性。3）空载特性）空载特性与电机的磁化与电机的磁化曲线曲线形状相似，只差一个比例常数。形状相似，只差一个比例常数。（为什么？）（为什么？）4）空载特性与励磁方式无关，因此）空载特性与励磁方式无关，因此并励发电机的空载特性也可以

45、用上并励发电机的空载特性也可以用上述方法求取，他励直流发电机的空述方法求取，他励直流发电机的空载特性是直流电机最基本的特性曲载特性是直流电机最基本的特性曲线线 (2)他励直流发电机的外特性：他励直流发电机的外特性：实验条件：使发电机接上负载，当原动机实验条件：使发电机接上负载，当原动机保持保持调节调节使之不变，然后改变负载使使之不变，然后改变负载使从零增加到从零增加到，读取读取、之值，之值，即即得到外特性曲线得到外特性曲线，如图所示。如图所示。电流增大时，端电压下降，电流增大时，端电压下降，其原因有两个：其原因有两个：试验方法：试验方法：1.1.I If fI IfNfN保持保持2.n2.nn

46、 nN N保持保持3.3.I I从从0 0调节调节1.21.2I IN N 由于电枢反应使磁通由于电枢反应使磁通减小，使端电压与电流的减小，使端电压与电流的关系不是一条直线。关系不是一条直线。 发电机端电压随负载发电机端电压随负载电流的增大而减小的程度电流的增大而减小的程度电压调整率电压调整率重要性能指标重要性能指标负负载载增增大大时时，电电枢枢反反映映的的去去磁磁作作用用增增强强，使使每每极极磁磁通通量量减减小小，从从而而使使电电枢枢电电动动势势减减小小电电枢枢回回路路电电阻阻上上的的压压降降随随电电流流增增大大而而增增大大，从而使端电压下降。从而使端电压下降。而而我我们们发发现现并并励励方

47、方式式下下，端端电电压压下下降降的的更更快快一一些些：负负载载增增大大时时，电电枢枢反反应应的的去去磁磁作作用用增增强强，使使每每极极磁磁通通量量减减小小，这这样样不不仅仅影影响响了了电电枢枢电电动动势势，使使端端电电压压下下降降，同同时时端端电电压压的的下下降降进进一一步步也也影影响响了了励励磁磁电电流流使使之之减减小小，这这样样一一来来，又又使使得得的的电电枢枢电电动动势势双双重重减小，所以，并励下降的更快一些减小，所以，并励下降的更快一些。(3)调节特性负载电流的增大负载电流的增大端端电压下降，原因？电压下降，原因？调节励磁电流调节励磁电流达到达到保持端电压不变保持端电压不变(4)他励直

48、流发电机的效率曲线：他励直流发电机的效率曲线：不变损耗：电机的铁损耗和机械损耗等与负载的大小不变损耗：电机的铁损耗和机械损耗等与负载的大小小无关，称为不变损耗。小无关，称为不变损耗。可变损耗：负载运行时电枢绕组的铜损耗与可变损耗：负载运行时电枢绕组的铜损耗与 成正比，成正比，称为可变损耗。同样，我们可用实验的方法得到效称为可变损耗。同样，我们可用实验的方法得到效率曲线。如图：率曲线。如图：我们发现效率特性在经过一个峰值后开始下降，我们发现效率特性在经过一个峰值后开始下降，我们发现效率特性在经过一个峰值后开始下降，我们发现效率特性在经过一个峰值后开始下降，那么，这是为什么呢那么，这是为什么呢那么

49、，这是为什么呢那么，这是为什么呢？分析分析：我们知道在负载较小时，电机内的损：我们知道在负载较小时，电机内的损耗主要以不变损耗为主，随着负载的增加，耗主要以不变损耗为主，随着负载的增加，电枢电流也在随之增加，这样，铜损耗的电枢电流也在随之增加，这样，铜损耗的作用开始显著，当增加到和不变损耗相等作用开始显著，当增加到和不变损耗相等时，出现效率最大点，随后，若继续增加时，出现效率最大点，随后，若继续增加负载，可变损耗将急剧增大，尽管负载，可变损耗将急剧增大，尽管p2也增也增大，但增大的速度比不上铜损耗大，但增大的速度比不上铜损耗增加速度，增加速度，使效率反而随着输出的增大而降低使效率反而随着输出的

50、增大而降低。四、并励直流发电机的运行特性1.空载特性该接成他励方式后，测量得到空载特性，方法和特性曲线与他励直流发电机相同。并励直流发电机的外特性2.外特性同一台直流发电机，分别接成并励方式、他励方式，得到外特性分别如图1、2曲线。3.并励直流发电机的调节特性(5).幷励直流发电机的自励过程幷励直流发电机的自励过程(1)自励过程在前面我们讲过直流电机的励磁方式有两种：他励在前面我们讲过直流电机的励磁方式有两种：他励式和自励式，现在，我们就来看看这种自励过程式和自励式，现在，我们就来看看这种自励过程是如何实现的：如图所示是如何实现的：如图所示 由于电机磁路中总有一定由于电机磁路中总有一定剩磁，当

51、发电机由原动当发电机由原动机推动至额定转速时，发电机两端将发出一个数机推动至额定转速时，发电机两端将发出一个数值不大的值不大的剩磁电压。而励磁绕组又是接到电枢而励磁绕组又是接到电枢两端的，于是在剩磁电压的作用下，励磁绕组将两端的，于是在剩磁电压的作用下，励磁绕组将流过一个不大的流过一个不大的电流，并产生一个不大的励磁磁并产生一个不大的励磁磁动势。如果励磁绕组动势。如果励磁绕组接法正确，即这个励磁磁即这个励磁磁动势的方向和电机的剩磁磁动势的动势的方向和电机的剩磁磁动势的方向相同，从而使电机内的磁通和由它产生的电枢端电压有从而使电机内的磁通和由它产生的电枢端电压有所所增加。在比较高的励磁电压作用下

52、，励磁电流在比较高的励磁电压作用下，励磁电流又进一步又进一步加大，导致磁通的导致磁通的进一步增加，继而继而电枢端电压又电枢端电压又进一步加大。如此反复作用下去，如此反复作用下去，发电机的端电压便自动建立起来。这就是发电机发电机的端电压便自动建立起来。这就是发电机自励过程。自励过程。机座机座磁极磁极励磁励磁绕组绕组转子转子励磁式直流电动机结构励磁式直流电动机结构(2)建立稳定工作点在自励在自励过过程中，程中，发电发电机机的的电压电压是否会无限制地是否会无限制地增增长长下去呢？下去呢？从从图图可以可以清楚地看出，当清楚地看出，当发电发电机机的的电压电压上升到上升到P P点所点所对应对应的的电压时电

53、压时，恰好等于励磁，恰好等于励磁电电流通流通过过励磁回路所需的励磁回路所需的电电阻阻压压降，因此降，因此电电枢枢电压电压和励磁和励磁电电流都不会再增加，流都不会再增加，自励自励过过程达到了程达到了稳稳定状定状态态. .(3)自励条件(a)电机必须有剩磁(b)极性正确(c)励磁回路的总电阻小于该转速下的临界电阻必须明确，发电机的转速不同时，空载特性发电机的转速不同时，空载特性也不同。也不同。因此，对应于不同的转速便有不同的临界电因此，对应于不同的转速便有不同的临界电阻。阻。如果励磁如果励磁绕组绕组本身的本身的电电阻阻即已超即已超过过所所对应对应的的临临界界电电阻阻值值，电电机是不可能自励的，机是

54、不可能自励的，这时这时唯一的唯一的 办办法是提高法是提高电电机的机的转转速，从而提高其速，从而提高其临临界界电电阻阻值值。额定值额定值1. 额定功率额定功率PN :电机轴上输出的机械功率。电机轴上输出的机械功率。2. 额定电压额定电压UN ：额定工作情况下的电枢上加的额定工作情况下的电枢上加的直流电压。（例：直流电压。（例：110V，220V，440V） 3. 额定电流额定电流IN ： 额定电压下，轴上输出额定功率额定电压下，轴上输出额定功率时的电流（并励应包括励磁电流和电枢电流）时的电流（并励应包括励磁电流和电枢电流）三者关系：三者关系：PN=UNIN （ ：效率）效率）3-7直流电动机直流

55、电动机注意：注意：调速时对于没有调速要求的电机，最大转速调速时对于没有调速要求的电机，最大转速 不能超过不能超过 1.2nN 。4.4.额定转速额定转速nN ：在在PN，UN，IN 时的转速。直流电时的转速。直流电 机的转速等级一般在机的转速等级一般在 500500r/min 以上。特殊的直以上。特殊的直流电机转速可以做到很低（如：每分钟几转）或流电机转速可以做到很低（如：每分钟几转）或很高（每分钟很高（每分钟30003000转以上）。转以上）。他励电动机一一.直流电动机的基本方程式直流电动机的基本方程式他励他励正方向为电动机惯例正方向为电动机惯例1)电动势平衡方程式电动势平衡方程式： U=E

56、a+Ia(Ra+Rc)在电动机中，显然端电压必须大于反电动在电动机中，显然端电压必须大于反电动势，由此得到电动机的转速为：势，由此得到电动机的转速为：励磁回路的电动势方程为：励磁回路的电动势方程为：2)转矩平衡关系转矩平衡关系电磁转矩电磁转矩T为驱动转矩，在电机运行时，必须和外为驱动转矩，在电机运行时，必须和外加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即TL： 负载转矩负载转矩T0 ：空载转矩空载转矩 转矩平衡过程：转矩平衡过程：当负载转矩（当负载转矩（TL）发生变化时，发生变化时，通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩

57、自动调整，以实现新的平衡。转矩自动调整，以实现新的平衡。例：例：设外加电枢电压设外加电枢电压 U 一定，一定，T=TL+ T0(平衡平衡)，这时，这时，若若TL突然增加，则调整过程为：突然增加，则调整过程为：与原平衡点相比，新的平衡点：与原平衡点相比，新的平衡点：Ia 、 P入入 TL n E Ia T 最后达到新的平衡点。最后达到新的平衡点。0nTn0TLA励磁回路的电动势方程为：励磁回路的电动势方程为：3）功率平衡方程式：）功率平衡方程式：并励直流电机从电源输入的并励直流电机从电源输入的电功率为：电功率为：P1=UI=U（Ia+If）=Ea+Ia（Ra+Rc）Ia+UIf=EaIa+（Ra

58、+Rc）+UIf=PM+pCUa+pCUf 所以，综合以上分析可的：所以，综合以上分析可的：式中的式中的为电机的总损耗。为电机的总损耗。二、直流电动机的二、直流电动机的工作特性：工作特性： 直流电动机的工作特性，是指在直流电动机的工作特性，是指在U=UU=UN N， 时时, , 转速转速n n、电磁转矩电磁转矩T T和效率和效率 随随输出功率输出功率 而变化的关系。而变化的关系。(一一)他励直流电动机的工作特性：他励直流电动机的工作特性：1 转速特性：转速特性：条件：条件： ， ， 时，时，的关系，叫做转速特性。的关系，叫做转速特性。2 转矩特性转矩特性当当U=UU=UN N, I, If f

59、= =I IfNfN时，T=T=f(Iaf(Ia) )的关系叫的关系叫转矩特性。当不矩特性。当不计电枢反枢反应的去磁作用的去磁作用时，3效率特性效率特性(二)并励直流电动机的工作特性1.1.转速特性转速特性2.2.转矩特性转矩特性3.3.效率特性效率特性 当可变损耗当可变损耗p pcucu等于不变损等于不变损耗时，效率耗时，效率达到最大值。达到最大值。直流发电机与直流电动机的区别能量关能量关系系:机械能转变成电能电能转变成机械能电枢电势电枢电势: :电源电势电源电势反电势反电势电磁转矩电磁转矩: :制动制动驱动驱动电势平电势平衡方程衡方程: :直流发电机与直流电动机的区别转矩平转矩平衡方程衡方

60、程：功率平功率平衡方程衡方程：特性特性：空载特性空载特性：外特性：外特性：调整特性：调整特性：转速特性转速特性：转矩特性转矩特性：效率特性效率特性：(1)若电动机原本静止，由于励磁转矩若电动机原本静止，由于励磁转矩 T = KT Ia， 而而 0 ，电机将不能启动，因此，反电动势电机将不能启动，因此，反电动势 为零，电枢电流会很大，电枢绕组有被烧毁为零，电枢电流会很大，电枢绕组有被烧毁 的危险。的危险。直流机在启动和工作时，励磁电路一定要接通，直流机在启动和工作时，励磁电路一定要接通，不能让它断开，而且启动时要满励磁。否则，磁不能让它断开，而且启动时要满励磁。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产

61、生以下事故：路中只有很少的剩磁，可能产生以下事故：注意：注意：（2）如果电动机在有载运行时磁路突然断开，）如果电动机在有载运行时磁路突然断开， 则则 E ，Ia ，T 和和 ，可能不满可能不满 足足TL的要求，电动机必将减速或停转，使的要求，电动机必将减速或停转，使 Ia更大，也很危险。更大，也很危险。（3）如果电机空载运行，可能造成飞车。）如果电机空载运行，可能造成飞车。 E Ia T T0 n 飞车飞车措施：措施：他励直流电动机一定要有他励直流电动机一定要有失磁保护失磁保护。一般在励磁绕组加失压继电器或欠一般在励磁绕组加失压继电器或欠流继电器。当失压或欠流时，自动流继电器。当失压或欠流时，

62、自动切断电枢电源切断电枢电源U U。M他励他励UfIfIaU3.8他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性一一.机械特性的一般表达式机械特性的一般表达式其中：称为理想空载转速；机械特性斜率 电动机的固有机械特性指：电压、磁通为额定值，电电动机的固有机械特性指：电压、磁通为额定值，电枢回路外串电阻为时，枢回路外串电阻为时，T与与n的关系，即的关系，即n=f(T).二、他励直流电动机的固有机械特性n0nn0N特性分析：（）机械特性是一条下斜直线（）当时，为理想空载转速（）为电动机的实际空载转速（）为机械特性斜率增大时，也增大通常称小的机械特性为硬特性，通常称大的机械特性为软特性一般他励直流

63、电机的小，特性硬，转矩变化时，转速变化小（）额定转速变化率是表示电机额定负载时的转速比降落的程度令称为机械特性硬度，越小，越大，特性越平，特性越硬nTTst例例:一台他励直流电动机额定功率一台他励直流电动机额定功率,额定电压额定电压,额定电流额定电流,额定转速额定转速电枢回路总电阻电枢回路总电阻忽略电枢反应的影响忽略电枢反应的影响,求求(1)理想空载转理想空载转;(2)固有机械特性斜率固有机械特性斜率;(3)电动机的固有机械特性电动机的固有机械特性1.理想空理想空载转速速计算算=0.841:2. 斜率斜率计算算斜率斜率:电动机的固有特性机的固有特性:理想空理想空载转速速三、他励直流电动机的人为

64、机械特性（一）电枢回路串电阻时的人为特性（二）改变端电压时的人为特性（三）减弱电动机主磁通时的人为特性例:某他励直流电动机额定数据如下:,试求1)固有机械特性表达式2）电枢回路串时的人为特性表达式3）端电压时的人为特性表达式4）磁通为时的人为特性表达式1.固有特性:2.串电阻的人为特性:3.降低电源的人为特性此时不变,所以对应的转速为4.弱磁时的人为特性四、根据电机的铭牌数据估算机械特性（一）固有特性的绘制(,0)和额定工作点(,)1.估算额定电枢电动势2.根据所选电机直流电动机,实测它的电枢回路电阻或估算:因为额定转矩:(二)人为特性的绘制他励直流电动机的机械特性步骤：1）估算2）计算3）计

65、算理想空载点：4）计算额定工作点：他励直流电动机的机械特性2、人为机械特性的求取在固有机械特性方程 的基础上，根据人为特性所对应的参数 或 或 变化，重新计算 和 ，然后得（ ）、（ ）。例:一台他励直流电动机的数据为:,.求:(1)电势(2)(3)(4)(5)(6)(7)(1)根据额定容量知道,本台电机属于中等容量电机,取(2)(3)(4)(5)先求空载损耗功率(7)例:某他励直流电动机额定数据如下:,试求1)固有机械特性表达式2)50%额定负载时的转速3)转速为1050r/min时的转速）电枢回路串时的人为特性表达式）端电压时的人为特性表达式）磁通为时的人为特性表达式一、串励直流电动机的工

66、作特性：一、串励直流电动机的工作特性： 由由于于串串励励电电动动机机的的励励磁磁绕绕组组与与电电枢枢串串联联，所所以以励励磁磁电电流流就就是是电电枢枢电电流流，即即它它是是随随负负载载的的变变化化而而变变化化的的。因因此此，其其工工作作特特性性将将与与他他（并并）励励直直流流电电机机的的工工作特性有所不同作特性有所不同。3.9串励串励和复励直流电动机串励串励和复励直流电动机1) 1) 转速特性：转速特性：n=n=f(Iaf(Ia）研究条件：研究条件：U=UU=UN N,R,RC C=0,=0,且且I If f= =IaIa时的的n=n=f(Iaf(Ia) )关系曲关系曲线，当磁路不当磁路不饱和

67、和时，主磁通与励磁主磁通与励磁电流成正比流成正比2)2)转矩特性矩特性U=UU=UN N,R,RC C=0,=0,且且I If f= =I Ia a时的的T=T=f(Iaf(Ia) )关系曲关系曲线.串励串励电动机有机有较大的起大的起动转矩与矩与过载能力，能力，这是两个很好的是两个很好的优点。点。 当生当生产机械机械过载时，电动机的机的转速自速自动下降，下降，其其输出功率出功率变化不大，使化不大，使电机不致因机不致因负载过重而重而损坏。当坏。当负载减减轻时，转速又自速又自动上升。上升。因此，因此，电力机力机车、电车等一等一类牵引机械大都采引机械大都采用串励用串励电动机拖机拖动。 nT0双曲线双

68、曲线 串励串励电动机机, ,适合于作适合于作牵引机引机. .当当负载轻（T TL L小）小）时, ,转速高速高, ,可以提高生可以提高生产效率效率; ;负载重（重（T TL L大）大）时, ,转速小速小, ,而而P=TP=TL L 近似不近似不变与与轻载相同相同, ,可以保可以保护电机。电机。3）机械特性）机械特性：(1) (1) T=0时，在理想情况下，时，在理想情况下，n。但但实际上负实际上负 载转矩不会为载转矩不会为 0 0，不会工作在，不会工作在 T=0 的状态，的状态， 但空载时但空载时 T 很小，很小，n 很高。串励不允许空载很高。串励不允许空载 运行，以防转速过高。运行，以防转速

69、过高。串励特性：串励特性：(2) (2) 随转矩的增大，随转矩的增大，n 下降得很快，这种特性属下降得很快，这种特性属 软机械特性。软机械特性。nT串励电动机的效率特性，和他（并）励电动机串励电动机的效率特性，和他（并）励电动机相似相似四、复励直流电动机的工作特性：四、复励直流电动机的工作特性：复复励励电电动动机机通通常常接接成成积积复复励励，它它的的工工作作特特性性介介乎乎并并励励与与串串励励电电动动机机的的特特性性之之间间。如如果果并并励励磁磁动动势势起起主主要要作作用用，它它的的工工作作特特性性就就接接近近并并励励电电动动机机；如如果果串串励励 磁磁动动势势起起主主要要作作用用，它它的的

70、工工作作特特性性就就接接近近串串励励电电动动机机。因因为为有有并并励励磁磁动动势势的的存存在在，空空载载时时没没有有飞飞车车的的危危险险 ，复复励励电电动机的转速特性如图所示。动机的转速特性如图所示。3.10直流电机的换向直流电机的换向一、换向的物理过程：一、换向的物理过程：如图所示，如图所示，一、直流电机的换向以单叠绕组为例，一个元件被电刷短路前的电流是+ia，被短路一下，之后的电流是-ia，这种电流方向的改变，就称为换向。1.直线换向(电阻换向)换向元件中的电流决定于该元件中的感应电势和回路电阻。假设换向元件中没有任何电动势，且将换向元件、引线与换向片的电阻均忽略不计，回路中只有电刷和换向

71、片1的接触电阻r1和电刷和换向片2的接触电阻r2，则换向元件中的电流只取决于回路中的电阻r1和r2的大小，这种换向情况称为电阻换向。)*只考虑接触电阻，它与接触面积成反比。*接触电阻是均匀变化的。*换向元件的电流是由ia均匀变化到-ia直线换向的特点：电刷下的电流密度为常数，不产直线换向的特点：电刷下的电流密度为常数，不产生火花。生火花。理想换向理想换向自感电势自感电势互感电势互感电势切割电势切割电势电抗电势电抗电势 元件从元件从+ia -ia产生产生电抗电势电抗电势er，er的方向与换向的方向与换向前的电流前的电流 方向一致；方向一致； 电枢反应使几何中线电枢反应使几何中线处处B0，产生切割

72、电势产生切割电势ea，它的方向也与换向，它的方向也与换向前电流方向一致。前电流方向一致。2、换向元件中的感应电动势、换向元件中的感应电动势1）电抗电动势）电抗电动势： 换换向向元元件件中中，在在电电流流变变化化时时，必必然然出出现现由由自自感感与与互互感感作作用用所所引引起起的的感感应应电电动动势势，这个电动势称为电抗电动势。这个电动势称为电抗电动势。er和和eA的存在，使换向延迟了。在电刷中的电流密的存在，使换向延迟了。在电刷中的电流密度分布不均匀，产生附加换向电流度分布不均匀，产生附加换向电流ik延迟换向 换向结束瞬间，附加换换向结束瞬间，附加换向电流向电流ikT0，换向元件储，换向元件储

73、存能量存能量LrikT2，释放出火花，释放出火花经过推导，可得电抗电动势为：经过推导，可得电抗电动势为：可可见见电电机机的的负负载载越越重重, ,转转速速越越高高，则则 越越大大。根根据据楞楞次次定定律律，漏漏感感的的作作用用总总是是阻阻碍碍电电流流变变化化的的，因因为为电电流流是是在在减减少少，所所以以其其方方向向必必与与+ + 方向相同。方向相同。2 2）电枢反应电动势：）电枢反应电动势：虽虽然然换换向向元元件件位位于于几几何何中中性性线线处处，主主磁磁场场的的磁磁密密等等于于零零，但但是是电电枢枢磁磁场场的的磁磁密密不不等等于于零零。因因此此换换向向元元件件必必然然切切割割电电枢枢磁磁场

74、场，而而在在其其中中产生一种旋转电动势，称为电枢反应电动势。产生一种旋转电动势，称为电枢反应电动势。为：为：因因为为 , , , ,所所以以 , ,即即当当负负载载越越重重，转转速速越越高高时时， 越越大大。据据右右手手定定则则可可以以判判定定，无无论论是是发发电电机机或或电电动动机机状状态态， 的的方方向向总总是是与与换换向向前前元元件件中中电电流流方方向向相相同同，即即与与方方向向相相同同，也也是是阻阻碍碍换向的。换向的。3 3）电刷下产生火花的电磁原因：）电刷下产生火花的电磁原因：在在换换向向元元件件中中存存在在着着两两个个方方向向相相同同的的电电动动势势 + + ，因因此此在在换换向向

75、元元件件中中，会会产产生附加的换向电流生附加的换向电流 ， 由由 所所建建立立的的电电磁磁能能量量 要要释释放放出出来来。当当这这部部分分能能量量足足够够大大时时，它它将将以以火火花花的的形形式式从从后后刷刷边边放放出出，使使维维持持连连续续，这这就就是是电电刷刷下下产产生生火火花花的的电电磁磁原原因因。此此外外还还有有机机械械及及电电化化学方面的原因。学方面的原因。火火花花使使电电刷刷及及换换向向器器表表面面损损坏坏，严严重重时时将将使使电电机不能正常运行。机不能正常运行。三、改善换向的方法：三、改善换向的方法：从从产产生生火火花花的的电电磁磁原原因因出出发发，减减少少换换向向元元件件的的电

76、电抗抗电电动动势势和和电电枢枢反反应应电电动动势势，就就可可以以有有效效地改善换向。目前最有效的办法是装换向极。地改善换向。目前最有效的办法是装换向极。 对换对换向极的要求是：向极的要求是：对换向极的要求：对换向极的要求：（1 1）换向极应装在几何中性线处；）换向极应装在几何中性线处； （2 2）换换向向极极的的极极性性应应使使所所产产生生的的方方向向与与电电枢枢反应磁动势的方向相反。反应磁动势的方向相反。（3 3）由由于于 是是随随负负载载的的大大小小及及转转速速而而变变化化的的，为为使使换换向向电电动动势势 在在任任何何负负载载下下都都能能抵抵消消 ，要要求求 。根根据据 ，需需要要 ，所

77、所以以换换向向极极绕绕组组必必须须与与电电枢枢绕绕组组串串联联，而而且换向极磁路应不饱和。且换向极磁路应不饱和。 一一般般，容容量量为为1kW1kW以以上上的的直直流流电电机机都都装装有有换换向极。向极。三、改善换向的方法2. 装设换向极装设换向极换向极磁势一方面抵消交轴电枢反应磁势，使几换向极磁势一方面抵消交轴电枢反应磁势，使几何中性线处何中性线处B=0，另一方面产生一个电势刚好与另一方面产生一个电势刚好与电抗电势电抗电势er相抵消，使换向元件内的合成电势等相抵消，使换向元件内的合成电势等于零，不出现火花。于零，不出现火花。换向极绕组必须和电枢绕组换向极绕组必须和电枢绕组串联串联，同时，同时换向极磁路换向极磁路应处于应处于不饱和不饱和状态，且极状态，且极性不能搞错性不能搞错( (分发电机、电动机分发电机、电动机2 2种情况种情况) )1. 选用合适型号的电刷选用合适型号的电刷二、产生火花的其他原因1.机械原因装配因素2.化学原因环境因素换向火花换向周期Tk换向条件不好则会在电刷与换向器之间产生火花。超过一定限度，会烧坏电刷和换向器。正常工作时，火花等级不超过1.5级；短时过载时，火花等级不超过2级。用换向极改善换向